Duże elementy, takie jak przekładnie są wykorzystywane w dużych konstrukcjach, jak okręty, elektrownie wiatrowe, walcownie, transport, koleje, samoloty, kruszarki do cementu, górnictwo, czy przemysł naftowy. Istnieją trzy ważne metody utwardzania powierzchni stosowane w celu poprawy i rozszerzenia technicznego zastosowania elementów takich przekładni. Projektanci materiałów i inżynierowie muszą zdecydować, którą metodę zastosować. Zaletą utwardzania powierzchniowego jest duża głębokość utwardzania w krótkim czasie, miejscowe utwardzanie dużych elementów oraz dobra elastyczność. Jednak takie wzmacnianie wiąże się również z wyzwaniami, którym należy sprostać. Która obróbka cieplna metali jest najlepsza? Dlaczego obróbka termiczna wymaga zachowania odpowiedniej temperatury otoczenia i materiału? Jakie są rodzaje obróbki cieplnej? O tym piszemy poniżej!
Porównanie trzech metod obróbki cieplnej
Poniżej omawiamy każdy najpopularniejszy rodzaj obróbki cieplnej.
Nawęglanie
Pierwszą z metod jest nawęglanie. Przeprowadzana jest zwykle w wysokich temperaturach od 880°C do 980°C, a temperatury hartowania oscylują w przedziale od 780°C do 860°C. Standardową procedurą jest nawęglanie gazowe. Poprzez dyfuzję węgla do powierzchni i hartowanie powstaje mocna, twarda martenzytyczna warstwa powierzchniowa o grubości do 10 milimetrów. Ta metoda termochemiczna wykorzystuje gaz bogaty w węgiel, a mianowicie metan (CH4) lub propan (C4H8), w celu dodania określonej ilości węgla do przedmiotu obrabianego. Po nawęglaniu elementy są hartowane i odpuszczane do wymaganej twardości powierzchni w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych. Oprócz wysokiej twardości powierzchniowej (do 850 HV) i odporności na zużycie, elementy poddane takiej obróbce wykazują również dobrą wytrzymałość na zginanie wsteczne i zmęczenie dzięki szczątkowym naprężeniom ściskającym. Podczas nawęglania, hartowania i odpuszczania można wprowadzić określone zmiany czasu i temperatury, aby zoptymalizować właściwości materiału i zminimalizować zmiany wymiarów związane z odpowiednimi technikami ładowania.
Azotowanie przez obróbkę cieplną
Druga metoda, to azotowanie. Tego rodzaju ulepszanie cieplne jest również często wykorystywane. Zakres temperatur obróbki azotowania wynosi od 500°C do 580°C dla azotowania gazowego oraz 400°C i więcej dla azotowania plazmowego. Azotowanie jest metodą wzbogacania warstwy wierzchniej materiału żelaznego określoną ilością azotu lub w przypadku azotonawęglania azotem i węglem. Zwiększa to nie tylko twardość, ale także odporność na zużycie, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję i właściwości przeciwcierne. Ponadto nie dochodzi do mikro strukturalnej przemiany z austenitu w martenzyt, co zapewnia wysoką stabilność wymiarową. Zazwyczaj maksymalna głębokość penetracji azotowania wynosi 0,8 mm. W zależności od materiału, głębokość penetracji jest większa niż 1,0 mm. Azotowanie bez odkształceń jest w wielu przypadkach realną alternatywą dla utwardzania powierzchniowego (hartowanie powierzchniowe), pod warunkiem zastosowania odpowiedniej stali. Stale azotowane są wymienione w normach DIN 17211 i EN 10085.
Nawęglanie
Ostatnią z metod obróbki cieplnej jest nawęglanie poprzez ogrzewanie płomieniem, indukcją, laserem, lub wiązką elektronów. Przeprowadza się ją w temperaturach obróbki o 50°C – 100°C – wyższych niż temperatura utwardzania właściwa dla materiału. W wyniku tych procesów powstaje twarda powierzchnia struktury martenzytycznej. Metody te można również stosować do utwardzania dużych elementów lub skomplikowanych geometrii. Ogrzewanie indukcyjne lub płomieniowe stosuje się do obszarów o dużym naprężeniu przedmiotu obrabianego. Optymalizacja metod i znajdowanie rozwiązań opartych na elementach utwardzanych płomieniowo i indukcyjnie wymaga dużego doświadczenia. Dlatego ocena i spójność próbek testowych jest niezbędna i można ją znacznie poprawić poprzez szczegółowe zdefiniowanie parametrów maszyny. Prócz tego twardość, głębokość i wytrzymałość rdzenia są istotnymi czynnikami, gdy kluczowym kryterium jest nośność materiału. Jeżeli istnieje zagrożenie, że nośność takiej przekładni osiągnie poziom krytyczny, preferowane jest utwardzanie dyfuzyjne, nawet jeśli pojawiające się odkształcenie jest mniejsze po utwardzeniu metodą azotowania. Ten typ jest zaś preferowany w przypadku materiałów takich, jak cylindry hydrauliczne, u których wystarczająca jest niewielka twardość. Ze względu na najwyższą obciążalność utwardzanie dyfuzyjne jest pierwszym wyborem do obróbki dużych elementów przekładni.
Istnieją trzy główne obszary, które należy wziąć pod uwagę podczas obrabiania powierzchniowego dużych elementów przekładni:
- Hartowność
- Waga
- Zmiany wymiarowe i zniekształcenia
Hartowanie
Większe elementy są zwykle hartowane w oleju. Chłodzenie poniżej temperatury topnienia trwa zwykle dłużej niż godzinę, w zależności od wielkości elementów. W tym czasie ciepło jest przewodzone przez powierzchnię. Dlatego preferowana jest stal z ferrytyczno-perlityczna. W przeciwnym razie twardość powierzchni i głębokość budowy zostaną znacznie zmniejszone. Im większy przekrój, tym bardziej konieczne jest stosowanie stali wysokostopowych. Pierwiastki stopowe Cr, Ni, Mo, Mn i V poprawiają hartowność, a dodatek V, Ni i Mo poprawia wytrzymałość. W przypadku wybrania stali o niewystarczającej hartowności, pomimo intensywnego hartowania w oleju przy bardzo dobrym chłodzeniu i cyrkulacji, skutkiem będzie niedopuszczalny spadek twardości i głębokości twardości dla dużych elementów. Ten spadek jest widoczny w elementach przekładni, zwłaszcza poniżej koła podziałowego do nasady zęba, gdzie twardość jest znacznie poniżej 52 HRC. Elementy mogą ulec uszkodzeniu w krótkim czasie z powodu wżerów, czy złamań bocznych. Dlatego kształt preparatu powinien być taki, aby oprócz niestandardowych wymiarów charakteryzował się również większym podobieństwem geometrycznym. Szybkości chłodzenia i hartowność stali mają duży wpływ na zmianę kształtu (skurcz i rozszerzalność). Huty stali do nawęglania z nowoczesnym topieniem sterowanym komputerowo mogą precyzyjnie dostroić hartowność. Koszt jest niezależny od wielkości dolnych 2/3 lub górnych 2/3 strefy hartowności. Jeszcze korzystniejsze dla późniejszych zmian kształtu, ale za dodatkową opłatą, jest uzgodnienie zaostrzonych granic hartowności. Podsumowując, wybierając materiały na duże elementy przekładni, należy wziąć pod uwagę efekty geometryczne i osiągnąć następujące cele:
- Należy wybrać materiał o wystarczającej hartowności
- Przekrój materiału musi być jak najmniejszy
- Geometria musi zapewniać stabilność wymiarową.
Waga
Ma ona kluczowe znaczenie na pierwszej linii wydajności. W każdym przypadku należy dążyć do oszczędności masy, ale nigdy kosztem stabilności. W przypadku dużych elementów przekładni spawanie okazało się skuteczne i jest obecnie standardem, osiągającym dobrą stabilność wymiarową, zmniejszając też wagę.
Obróbka wstępna materiału
Z naszego doświadczenia wynika, że następujące rodzaje obróbki wstępnej okazały się skuteczne w przypadku dużych elementów przekładni i należy je szczegółowo przeanalizować pod kątem kosztów i korzyści:
- Kucie 3-D (odkształcenie rdzenia przez rozciąganie i ściskanie) skutkuje bardziej jednolitą częścią z mniejszą segregacją, mniejszą porowatością i ulepszoną strukturą rdzenia.
- Nie należy chłodzić powietrzem po kuciu, ale pozwolić, aby temperatura części w sposób naturalny spadła do 840°C. Następnie materiał powinien być utwardzany przez zanurzenie w oleju i odpuszczany w temperaturze otoczenia 650°C. Jeśli nie jest to możliwe, oprócz kucia, przynajmniej wstępne hartowanie i odpuszczanie w temperaturze 840°C, a następnie hartowanie w oleju i odpuszczanie w temperaturze 650°C w celu poprawy udarności. Z pomiarów przed i po procesie można wyciągnąć wnioski na temat zmian wymiarowych i zachowania odkształceń.
- W całym procesie należy unikać zakresu nieodwracalnej kruchości odpuszczania w zakresie 250-400°C, czyli gwałtownego przemieszczania się każdego etapu procesu w tym zakresie. W miarę możliwości należy wykonać chłodzenie w oleju od określonej temperatury wyżarzania 650°C.
- Unikaj mikropęknięć, ubytków, pustych przestrzeni, dendrytów i zanieczyszczeń, aby zmniejszyć ryzyko kruchości wodorowej i opóźnionych pęknięć.
- Istotną korzyścią jest wysoka końcowa dokładność wymiarowa przedmiotu obrabianego, a także minimalizacja przeróbek, błędów wymiarowych i braków
Zmiany wymiarowe i deformacje
W zależności od rozmiaru elementu, coraz ważniejsze staje się ograniczenie zmian wymiarowych i deformacji. Zmiana wymiarowa oznacza wzrost lub kurczenie się. Zniekształcenie oznacza pewną nieprawidłowość – deformację, wynikającą z określonych czynników. Na kole zębatym o średnicy 1000 mm (40 cali) odkształcenie wynosi tylko 1 mm (0,04 cala) na mikron. W przypadku koła zębatego o średnicy 5000 mm (200 cali) odchylenie o 1 mikron spowoduje odchylenie wymiarowe o 5 mm (0,2 cala), a jest to pełna głębokość napawania CHD. Oznacza to, że całkowita twardość musi zostać zeszlifowana, aby zachować geometrię. Dlatego celem jest zminimalizowanie deformacji i przewidywanie zmian wymiarowych.Wzrost i skurcz to zmiany wymiarowe spowodowane przemianami mikrostrukturalnymi i naprężeniami termicznymi podczas obróbki cieplnej. Czynniki te z pewnością determinują zachowanie wymiarów przedmiotu obrabianego, ale w większości przypadków są one nadal nieuniknione podczas obróbki cieplnej. Na takie zniekształcenia składają się różne przyczyny. Obejmują one wysokie naprężenia szczątkowe i różnice w stężeniu stopu, a także wybór i jakość materiału. Ponadto asymetria geometryczna i nierównomierny rozkład temperatury podczas procesu produkcyjnego mogą również powodować odkształcenia. Można tego jednak uniknąć, podejmując odpowiednie działania w zakresie zaopatrzenia w stal, konstrukcji i produkcji detalicznej. Podczas obróbki cieplnej kluczowymi aspektami są: inżynieria instalacji, inżynieria procesu i rodzaj surowca. Jednak te trzy czynniki mogą przeważać nad pozostałymi. Dlatego odkształcenie utwardzające ma kluczowe znaczenie dla powodzenia całego procesu produkcyjnego dużych elementów przekładni. Kontrola atmosfery, temperatury i hartowania/chłodzenia to kluczowe aspekty przy użyciu tych technologii.
Podsumowanie
Ze względu na najwyższą obciążalność utwardzanie dyfuzyjne okazało się być pierwszym wyborem do obróbki dużych elementów przekładni. Dobór stali, kondycjonująca obróbka cieplna, hartowność, waga, zmiana wymiarów i odkształcenia to główne aspekty, które należy spełnić, aby uzyskać optymalne wyniki nawęglania podczas obróbki skrawaniem. Jeśli te czynniki są doskonale skoordynowane, możliwe jest wyjście poza ograniczenia istniejących technologii i otwarcie zupełnie nowych możliwości dla producentów kół zębatych. Podczas tego procesu istotnym jest w szczególności jeden decydujący, kluczowy czynnik: Deformacja podczas utwardzania. W przeszłości zniekształcenia wywołane utwardzaniem okazały się krytycznym problemem. Dzięki specjalnej technologii hartowania pionowego można uzyskać bardzo niskie odkształcenia hartownicze nawet przy poziomym obciążeniu kół koronowych i stożkowych.